JJF 1933-2021 光学轴类测量仪校准规范-（高清版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 9 3 32 0 2 1光学轴类测量仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rO p t i c a l S h a f tM e a s u r i n gI n s t r u m e n t 2 0 2 1-1 2-0 8发布2 0 2 2-0 6-0 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布光学轴类测量仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rO p t i c a l S h a f tM e a s u r i n gI n s t r u m e n tJ J F1 9 3 32 0 2 1 归 口 单 位:全国几何量工程参量计量技术委员会 主要起草单位:上海市计量测试技术研究院黑龙江省计量检定测试院 参加起草单位:南京市计量监督检测院马尔测量技术有限公司海克斯康测量技术(青岛)有限责任公司 本规范委托全国几何量工程参量计量技术委员会负责解释J J F1 9 3 32 0 2 1本规范主要起草人:姜志华(上海市计量测试技术研究院)曾燕华(上海市计量测试技术研究院)刘文滨(黑龙江省计量检定测试院)唐冬梅(上海市计量测试技术研究院)参加起草人:王 珉(南京市计量监督检测院)施佳强(马尔测量技术有限公司)谷 进 海克斯康测量技术(青岛)有限责任公司J J F1 9 3 32 0 2 1目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 概述(1)4 计量特性(1)4.1 回转主轴顶尖的斜向圆跳动(1)4.2 上顶尖轴线与回转主轴的同轴度(2)4.3 垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度(2)4.4 轴径测量的示值误差(2)4.5 轴长测量的示值误差(2)4.6 轴径测量的重复性(2)4.7 轴长测量的重复性(2)5 校准条件(2)5.1 环境条件(2)5.2 校准项目和校准用标准器及其他设备(2)6 校准项目和校准方法(3)6.1 回转主轴顶尖的斜向圆跳动(3)6.2 上顶尖轴线与回转主轴的同轴度(3)6.3 垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度(4)6.4 轴径测量的示值误差(5)6.5 轴长测量的示值误差(5)6.6 轴径测量的重复性(5)6.7 轴长测量的重复性(5)7 校准结果表达(6)8 复校时间间隔(6)附录A 轴径测量示值误差的不确定度评定示例(7)附录B 轴长测量示值误差的不确定度评定示例(1 0)附录C 标准轴径规(1 3)附录D 标准轴长规(1 4)附录E 阶梯型标准轴规(1 5)附录F 校准证书内容及内页格式(1 6)J J F1 9 3 32 0 2 1引 言 J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则、J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示共同构成支撑本规范制定的基础性系列规范。本规范为首次发布。J J F1 9 3 32 0 2 1光学轴类测量仪校准规范1 范围本规范适用于轴径测量上限至1 5 0mm、轴长测量上限至10 0 0mm的光学轴类测量仪的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J F1 0 9 42 0 0 2 测量仪器特性评定凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 概述光学轴类测量仪是采用C C D和光栅测量系统进行轴径和轴长测量的仪器。一般包括回转主轴(C轴)和垂直轴(Z轴),主要由机械主体、照明系统、C C D测量系统、控制系统和数据处理系统组成。图1 光学轴类测量仪结构及测量原理示意图1回转主轴(C轴);2下顶尖;3照明光源;4上顶尖;5垂直运动导轨;6立柱;7C C D测量系统;8测量滑架(含Z轴)0;9基座常见光学轴类测量仪结构及测量原理示意图如图1所示。工作时,测量工件夹持在两顶尖之间,C C D测量系统和照明光源通过测量滑架带动,沿Z轴方向移动至测量位置,测量图像通过C C D采集,数据处理系统对C C D采集的图像和光栅移动距离进行处理,得到测量工件的轴径和轴长。4 计量特性4.1 回转主轴顶尖的斜向圆跳动回转主轴顶尖的斜向圆跳动要求可参照表1。1J J F1 9 3 32 0 2 14.2 上顶尖轴线与回转主轴的同轴度上顶尖轴线对回转主轴的同轴度要求可参照表1。4.3 垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度要求可参照表1。4.4 轴径测量的示值误差轴径测量的最大允许误差要求可参照表1。4.5 轴长测量的示值误差轴长测量的最大允许误差要求可参照表1。4.6 轴径测量的重复性轴径测量的重复性要求可参照表1。4.7 轴长测量的重复性轴长测量的重复性要求可参照表1。表1 光学轴类测量仪计量特性的推荐要求序号计量特性推荐要求1回转主轴顶尖的斜向圆跳动一般不大于2m2上顶尖轴线与回转主轴的同轴度一般不大于2m/2 0 0mm3垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度一般不大于4m/2 0 0mm4轴径测量的示值误差最大允许误差:(3m+1.01 0-5d)5轴长测量的示值误差最大允许误差:(6m+1.51 0-5l)6轴径测量的重复性一般不大于0.5m7轴长测量的重复性一般不大于1m 注:校准工作不判断合格与否,上述计量特性要求仅供参考。5 校准条件5.1 环境条件校准环境的温度和湿度应该满足光学轴类测量仪厂商提供的技术要求,校准用的标准器建议至少恒温4h。一般实验室温度:(2 02),相对湿度:不大于7 0%。校准环境内无影响光学轴类测量仪正常工作的振动、噪声、腐蚀性气体和较强磁场等因素。5.2 校准项目和校准用标准器及其他设备校准用设备见表2。允许使用满足测量不确定度要求的其他测量标准及设备进行校准。2J J F1 9 3 32 0 2 1表2 校准项目和校准用设备序号校准项目设备名称和技术要求1回转主轴顶尖的斜向圆跳动测微计,最大允许误差1m23上顶尖轴线与回转主轴的同轴度垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度测微计,最大允许误差1m;标准芯轴,径向圆跳动1m,母线直线度1m/2 0 0mm4轴径测量的示值误差标准轴径规,扩展不确定度U=0.6m+21 0-6d(k=2)5轴长测量的示值误差标准轴长规,扩展不确定度U=1.2m+21 0-6l(k=2)6轴径测量的重复性标准轴径规,扩展不确定度U=0.6m+21 0-6d(k=2)7轴长测量的重复性标准轴长规,扩展不确定度U=1.2m+21 0-6l(k=2)6 校准项目和校准方法校准前首先检查外观和各部分相互作用。确定没有影响计量特性因素后再进行校准。6.1 回转主轴顶尖的斜向圆跳动将装有测微计的磁性表座固定在被校仪器的基座上(不与回转工作台一起运动),使测头与回转主轴顶尖圆锥面在法线方向接触(如图2所示),转动主轴两周,测微计的最大示值与最小示值之差即为回转主轴顶尖的斜向圆跳动。图2 回转主轴顶尖的斜向圆跳动示意图1下顶尖;2测微计;3表架6.2 上顶尖轴线与回转主轴的同轴度上顶尖轴线与回转主轴的同轴度用测微计和标准芯轴进行测量。当仪器的轴长测量上限小于或等于2 0 0mm时,用一根标准芯轴,标准芯轴的长度不小于仪器轴长测量上限的7 0%。当仪器的轴长测量上限大于2 0 0mm时,用两根不同长度的标准芯轴,其中一根标准芯轴的长度为2 0 0 mm,且至少有一根标准芯轴的长度不小于仪器轴长测量上限的7 0%。3J J F1 9 3 32 0 2 1将标准芯轴安装在被校光学轴类测量仪的两顶尖之间,把装有测微计的磁性表座安装在回转工作台上随主轴一起转动,使测头与标准芯轴上端外圆面垂直接触(如图3所示),转动回转主轴两周,测微计的最大示值与最小示值之差即为上顶尖轴线与回转主轴的同轴度。图3 上顶尖轴线和回转主轴的同轴度示意图1下顶尖;2表架;3测微计;4上顶尖;5标准芯轴6.3 垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度用测微计和标准芯轴进行测量(如图4所示)。将标准芯轴安装在被校光学轴类测量仪的两顶尖之间,把测微计牢固安装在测量滑架上,使测头沿光轴方向垂直接触标准芯轴的母线,测量滑架沿垂直导轨(Z轴)移动,移动距离应大于仪器轴长测量上限的7 0%,测微计的最大示值与最小示值之差即为垂直导轨与两顶尖连线在该方向的平行度。将测微计位置相对标准芯轴转9 0,用同样的方法,测量垂直导轨与两顶尖连线在该方向的平行度。图4 轴向导轨移动与两顶尖连线间的平行度示意图1下顶尖;2标准芯轴;3上顶尖;4测微计4J J F1 9 3 32 0 2 16.4 轴径测量的示值误差轴径测量的示值误差用标准轴径规进行测量。标准轴径规可以只有1个直径尺寸,也可以同时具有多个直径尺寸(标准轴径规或阶梯型标准轴规),其结构型式及技术要求见附录C和附录E。在仪器轴径测量范围内大致均匀分布5个测量点,选取相应直径的标准轴径规依次进行测量。在仪器上读取标准轴径规规定方向上的中截面直径,重复测量3次,取3次结果的平均值作为仪器在该点的直径测得值,该值与标准轴径规的直径实际值之差即为该点轴径测量的示值误差。各点轴径测量的示值误差di由公式(1)计算:di=di-dis(1)式中:di 光学轴类测量仪在第i点的直径测得值;dis 第i个标准轴径规的直径实际值。6.5 轴长测量的示值误差轴长测量的示值误差用标准轴长规进行测量。标准轴长规可以只有1个长度尺寸,也可以同时具有多个长度尺寸(标准轴长规或阶梯型标准轴规),其结构型式及技术要求见附录D和附录E。在仪器轴长测量范围内大致均匀分布5个测量点,选取相应长度的标准轴长规依次进行测量。在仪器上读取标准轴长规在轴线方向上两端面之间的距离,重复测量3次,取3次结果的平均值作为仪器在该点的长度测得值,该值与标准轴长规的长度实际值之差即为该点轴长测量的示值误差。各点轴长测量的示值误差li由公式(2)计算:li=li-lis(2)式中:li 光学轴类测量仪在第i点的长度测得值;lis 第i个标准轴长规的长度实际值。阶梯型标准轴径规和阶梯型标准轴长规也可以作为一体结构(阶梯型标准轴规),其结构型式及技术要求见附录E。6.6 轴径测量的重复性选取直径最小的标准轴径规,在仪器上重复测量1 0次,用公式(3)计算轴径测量的重复性s(d):s(d)=1 0i=1(di-d)2n-1(3)6.7 轴长测量的重复性选取长度最小的标准轴长规,在仪器上重复测量1 0次,用公式(4)计算轴径测量的重复性s(l):s(l)=1 0i=1(li-l)2n-1(4)5J J F1 9 3 32 0 2 17 校准结果表达光学轴类测量仪校准后应出具校准证书,校准证书应包含校准结果和测量不确定度。校准证书内容及内页格式见附录F。8 复校时间间隔建议光学轴类测量仪的复校时间间隔不超过1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定,因此使用单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。6J J F1 9 3 32 0 2 1附录A轴径测量示值误差的不确定度评定示例A.1 测量方法用标准轴径规或阶梯型标准轴规校准光学轴类测量仪的轴径示值误差时,仪器测量轴径的示值与校准用标准器的轴径实际值之间的差值作为测量轴径的示值误差。A.2 测量模型di=di-dsi(A.1)式中:di 轴径测量的示值误差;di 光学轴类测量仪测量轴径的示值;dsi 标准轴规轴径的实际值。根据测量模型:di=f(xi)=f(di,a,dsi)式中:标准轴规与光学轴类测量仪的膨胀系数差;a 温度偏离2 0的差值;由于导轨平行性引入的角度误差。由于各输入量间不相关,根据不确定度传播率,得u2c(di)=ni=1c2iu2i(xi),其中灵敏系数ci=f(xi)。A.3 标准不确定度分量的评定A.3.1 仪器测量重复性所引入的标准不确定度分量(1)在重复性条件下,用仪器连续1 0次(n=1 0)直径的测量数据,采用贝塞尔公式s(d)=1 0i=1(di-d)2n-1表征轴径的测量重复性,则s(d)=0.5m。(2)仪器的系统分辨力为0.1m,则由此引入的标准不确定度分量为:u()=0.2 90.1m=0.0 2 9m由贝塞尔公式计算得出的重复性已包含分辨力的影响,当重复性引入的不确定度分量大于分辨力所引入的分量时,可以不考虑分辨力的影响。由于实际测量采用3次重复测量,则:u1=s(d)/3=0.2 9mA.3.2 测量环境温度的影响所引入的分量被校测量仪配有温度传感器,其温度误差a=0.5,当被测仪器与标准器同时恒温足够长时间后,不考虑其他影响量,标准器材料膨胀系数s=(1 1.51.5)7J J F1 9 3 32 0 2 11 0-6-1,则温度差可能引入的分量(d)=dsa,按服从均匀分布考虑,则:(a)当d=2 5mm时,u2=0.0 8m;(b)当d=1 1 0mm时,u2=0.3 7m。A.3.3 材料的膨胀系数差的影响所引入的分量测量环境的温度波动(相对于标准温度2 0)控制在2 之内,仪器测径光栅膨胀系数=(1 0.51.5)1 0-6-1,则温度综合的影响为(d)=d1 0311 0-62,当d=2 5mm与1 1 0mm时,按服从三角分布考虑,则:(a)当d=2 5mm时,u3=0.0 2m;(b)当d=1 1 0mm时,u3=0.0 9m。A.3.4 标准器安装误差的影响所引入的分量测量仪器两顶尖连线与轴向导轨平行性为4m/2 0 0mm,半宽1 0m,则其对于轴径测量的影响量为:(d)=d t a n s i n(其中是由于导轨平行性引入的角度误差,t a n=1 010 0 01 03)(a)当d=2 5mm时,u4=0.0 0 4m;(b)当d=1 1 0mm时,u4=0.0 2m。A.3.5 校准用标准器的不确定度所引入的分量所用标准轴规直径,由上一级计量标准给出的扩展不确定度为U=0.6m+21 0-6d(k=2),则:(a)当d=2 5mm时,u5=0.6 2m/2=0.3 3m;(b)当d=1 1 0mm时,u5=0.8 2m/2=0.4 1m。A.4 标准不确定度汇总表标准不确定度汇总表见表A.1。表A.1 标准不确定度一览表标准不确定度分量u(xi)不确定度分量来源标准不确定度值u(xi)灵敏系数ciu1仪器测量重复性的影响量0.2 9m1u2环境温度的影响量0.0 8m,0.3 7m1u3材料的膨胀系数差的影响量0.0 2m,0.0 9m1u4安装误差对直径测量的影响量0.0 0 4m,0.0 2m1u5所用标准器引入的分量0.3 3m,0.4 1m-1 (a)当d=2 5mm时,uc=0.4 4m;(b)当d=1 1 0mm时,uc=0.6 3mA.5 合成标准不确定度uc由于各输入量之间不相关,所以合成标准不确定度为:(a)当d=2 5mm时,uc=u21+u22+u23+u24+u25=0.4 4m;8J J F1 9 3 32 0 2 1(b)当d=1 1 0mm时,uc=u21+u22+u23+u24+u25=0.6 3m。由(a)、(b)按线性公式y=a x+b组成二元一次线性方程组,可得到:uc=0.4m+2.21 0-6d(其中d为测量轴径)A.6 扩展不确定度U取包含因子k=2,则扩展不确定度U=0.8m+4.41 0-6d(其中d为测量轴径)。9J J F1 9 3 32 0 2 1附录B轴长测量示值误差的不确定度评定示例B.1 测量方法用标准轴长规或阶梯型标准轴规校准光学轴类测量仪的轴长示值误差时,仪器测量轴长的示值与校准用标准器的轴长实际值之间的差值作为测量轴长的示值误差。B.2 测量模型li=li-lsi(B.1)式中:li 轴长测量的示值误差;li 光学轴类测量仪测量轴长的示值;lsi 标准轴规轴长的实际值。根据测量模型:li=f(xi)=f(li,a,lsi)式中:标准轴规与光学轴类测量仪的膨胀系数差;a 温度偏离2 0的差值;由于导轨平行性引入的角度误差。由于各输入量间不相关,根据不确定度传播率,得u2c(li)=ni=1c2iu2i(xi),其中灵敏系数ci=f(xi)。B.3 标准不确定度分量的评定B.3.1 仪器测量重复性所引入的标准不确定度分量(1)在重复性条件下,用仪器连续1 0次(n=1 0)轴长的测量数据,采用贝塞尔公式s(l)=1 0i=1(li-l)2n-1表征轴长的测量重复性,则s(l)=1.0m。(2)仪器的系统分辨力为0.1m,则由此引入的标准不确定度分量为:u()=0.2 90.1m=0.0 2 9m由贝塞尔公式计算得出的重复性已包含分辨力的影响,当重复性引入的不确定度分量大于分辨力所引入的分量时,可以不考虑分辨力的影响。由于实际测量采用3次重复测量,则:u1=s(l)/3=0.5 8mB.3.2 测量环境温度的影响所引入的分量被校测量仪配有温度传感器,其温度测量误差a=0.5,当被测仪器与标准器同时恒温足够长时间后,不考虑其他影响量,标准器材料膨胀系数s=(1 1.5 1.5)01J J F1 9 3 32 0 2 11 0-6-1,则温度差引入的分量(l)=lsa,按服从均匀分布考虑,则:(a)当l=2 5mm时,u2=0.0 8m;(b)当l=7 0 0mm时,u2=2.3 2m。B.3.3 材料的膨胀系数差的影响所引入的分量测量环境的温度波动(相对于标准温度2 0)控制在2之内,仪器测长光栅膨胀系数=(1 0.51.5)1 0-6-1,则温度综合的影响为l=l1 0311 0-62,当l=2 5mm与7 0 0mm时,按服从三角分布考虑,则:(a)当l=2 5mm时,u3=0.0 2m;(b)当l=7 0 0mm时,u3=0.5 7m。B.3.4 标准器安装误差的影响所引入的分量测量仪器两顶尖连线与轴向导轨的平行性为4m/2 0 0mm,因此在轴长测量上产生误差为(l)=l(1-c o s)(其中是由于导轨平行性引入的角度误差,t a n=1 010 0 01 03),则:(a)当l=2 5mm时,u4=0.0 0 4m;(b)当l=7 0 0mm时,u4=0.1 1m。B.3.5 校准用标准器的不确定度所引入的分量所用标准轴规轴长,由上一级计量标准给出的扩展不确定度为U=1.2m+21 0-6l(k=2),则:(a)当l=2 5mm时,u5=1.2 5m/2=0.6 3m;(b)当l=2 5mm时,u5=2.6 0m/2=1.3 0m。B.4 标准不确定度汇总表标准不确定度汇总表见表B.1。表B.1 标准不确定度汇总表标准不确定度分量u(xi)不确定度分量来源标准不确定度值u(xi)灵敏系数u1仪器测量重复性的影响量0.5 8m1u2环境温度的影响量0.0 8m,2.3 2m1u3材料的膨胀系数差的影响量0.0 2m,0.5 7m1u4安装误差对轴长测量的影响量0.0 0 4m,0.1 1m1u5所用标准器引入的分量0.6 3m,1.3 0m-1 (a)当l=2 5mm时,uc=0.8 6m;(b)当l=7 0 0mm时,uc=2.7 9mB.5 合成标准不确定度uc由于各输入量之间不相关,所以合成标准不确定度为:(a)当l=2 5mm时,uc=u21+u22+u23+u24+u25=0.8 6m;(b)当l=7 0 0mm时,uc=u21+u22+u23+u24+u25=2.7 9m。11J J F1 9 3 32 0 2 1由(a)、(b)按线性公式y=a x+b组成二元一次线性方程组,可得到:uc=0.8m+2.91 0-6l(其中l为测量轴长)B.6 扩展不确定度U取包含因子k=2,则扩展不确定度U=1.6m+5.81 0-6l(其中l为测量轴长)。21J J F1 9 3 32 0 2 1附录C标准轴径规标准轴径规一般推荐为钢材质,其参考结构示意图如图C.1和图C.2所示。C.1 标准轴径规图C.1 标准轴径规参考结构示意图C.2 阶梯型标准轴径规图C.2 阶梯型标准轴径规参考结构示意图31J J F1 9 3 32 0 2 1附录D标准轴长规标准轴长规一般推荐为钢材质,其参考结构示意图如图D.1和图D.2所示。D.1 标准轴长规图D.1 标准轴长规参考结构示意图D.2 阶梯型标准轴长规图D.2 阶梯型标准轴长规参考结构示意图41J J F1 9 3 32 0 2 1附录E阶梯型标准轴规阶梯型标准轴规一般推荐为钢材质,一般由不少于5个不同直径尺寸,5段不同轴长离的阶梯轴构成,且最大尺寸应不少于测量范围的7 0%,其参考结构示意图如图E.1所示。图E.1 阶梯型标准轴规参考结构示意图51J J F1 9 3 32 0 2 1附录F校准证书内容及内页格式F.1 校准证书至少包括以下信息:a)标题“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果不在实验室内进行校准);d)证书或报告的唯一性标识(如编号),每页及总页的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准日期,如果与校准结果的有效性应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用计量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。F.2 校准证书内页格式见表F.1。61J J F1 9 3 32 0 2 1表F.1 校准证书内页格式证书编号:校准环境条件 温 度:相对湿度:%地 点:其 他:序号校准项目校准结果1回转主轴顶尖的斜向圆跳动2上顶尖轴线与回转主轴的同轴度3垂直导轨移动与两顶尖连线之间的平行度4轴径测量的示值误差轴长测量的示值误差5轴径测量的重复性轴长测量的重复性 轴径测量示值误差的不确定度:轴长测量示值误差的不确定度:校准员:核验员:注:校准证书的内容应符合J J F1 0 7 1 国家计量校准规范编写规则的要求。由于各实验室对校准证书有自己的设计,本附录仅建议与校准结果相关部分的内页格式。其中的部分内容可以由于实验室的证书格式不同而在其他部分表述。J J F1 9 3 32 0 2 1